一顆CMOS，卷出一個千億芯片市場

作者：Silvia

手機消費紅利消退，手機廠商沖高端卯足了勁，從鏡頭到芯片、屏幕、電池都提升了個遍，各方面性能差不多走到頭了，手機廠終于還是卷回了鏡頭，手機攝像頭越來越凸，而這距離最近一代劃時代產(chǎn)品iPhone 4的發(fā)布已過去13年。

從兩位像素卷到千萬像素，單鏡頭的像素到底了，于是單個手機的鏡頭越來越多，從雙攝到多攝（三攝、四攝），誕生了越來越多令人眼花繚亂的名詞：單反級像素，廣角、超廣角鏡頭，可變光圈，3倍光學(xué)變焦，潛望式長焦，一英寸大底等等。

廠商們還紛紛走向與哈蘇、徠卡、蔡司、索尼等影像品牌的聯(lián)名合作。

多數(shù)消費者愿意為相機功能買單，于是，把手機做成相機，在手機創(chuàng)新日益同質(zhì)化的今天，變成廠商們的無奈之舉。

與之相反的是，最近被淘汰的CCD，一種搭載CCD圖像傳感器的卡片相機，竟然死灰復(fù)燃，一股喜舊厭新的CCD懷舊風(fēng)潮襲來，“電子垃圾”CCD成為年輕人和時尚潮人新寵。

手機CMOS的老祖宗，CCD，改變了我們觀察、記錄世界的方式，發(fā)明者卻在40年后的2009年遲遲獲得諾貝爾物理學(xué)獎。可以說，沒有CCD的漸進式發(fā)展，就不會有CMOS。后起之秀CMOS，承接了CCD的交接棒，奔向了更遠的未來。

閱讀本文，你將了解：

1、CMOS的前世今生

2、不起眼的傳感器，如何爆發(fā)出千億市場

01、數(shù)碼相機的“底”從CCD到CMOS

圖像傳感器CCD和CMOS，你能分清它們嗎？

這是早期CCD圖像傳感器記錄下的投影：“S”。1969年，貝爾實驗室發(fā)明了電荷耦合元件（Charge-coupled Device，簡稱 CCD），能將光學(xué)影像轉(zhuǎn)換為電子信號，自此奠定了數(shù)碼相機的根基。

早期的CCD性能不高，只能捕捉亮度信息，因此只能記錄黑白影像。

“八叛逆”們離開貝爾實驗室來到美國硅谷，在英特爾全球第一顆八位處理器8008發(fā)布不久，1973年，全球第一個商用電荷耦合器件，即CCD，由仙童半導(dǎo)體（Fairchild）推出。

1975年，“膠卷大王”柯達用上Fairchild 201100型CCD發(fā)明了第一臺數(shù)碼相機，這臺相機130萬像素、不用膠卷，CCD捕捉圖像，但無法存儲圖像，于是用隨機存取器（RAM）捕獲圖像數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)傳送至盒式磁帶中。

柯達，成為了CCD最早的玩家，只可惜，用膠卷大賺特賺的柯達，在發(fā)現(xiàn)數(shù)碼相機不用膠卷后，立即決定停止研發(fā)，拒絕創(chuàng)新，一手好牌被打沒了。

索尼搭上了數(shù)碼相機快車，1973年CCD立項，1978年制造出支持11萬像素的芯片。1981年推出的馬維卡（MAVICA）相機，成為全球第一臺向市場發(fā)布的數(shù)碼相機，1985年，第一臺CCD便攜式攝像機M8由索尼發(fā)布。

這股技術(shù)革新風(fēng)潮迅速席卷日本，日企紛紛搶灘登陸全球數(shù)碼相機市場。到21世紀，索尼、富士、柯達、飛利浦、松下和夏普6家廠商可以批量生產(chǎn)CCD相關(guān)產(chǎn)品。

上世紀90年代后期，CCD除了用于消費級數(shù)碼相機，也廣泛應(yīng)用于專業(yè)電子照相、空間探測、X射線成像及其他科研領(lǐng)域。

CCD技術(shù)發(fā)展成熟了，缺點也逐漸暴露出來：工藝復(fù)雜，無法與標準工藝兼容，制造成本高，體積較大，功耗較高。CMOS圖像傳感器（簡稱CIS）應(yīng)運而生，成為繼CCD之后最大的贏家。

CCD和CMOS這兩種圖像傳感器，本質(zhì)上對應(yīng)TTL和CMOS這兩種不同的工藝。

CCD（電荷耦合元件）為MOS結(jié)構(gòu)（金屬氧化物半導(dǎo)體），上有許多排列整齊的電容（MOS 電容器），將光子轉(zhuǎn)換為電子來捕獲圖像。而CMOS（互補金屬氧化物半導(dǎo)體）為MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）結(jié)構(gòu)。

CCD傳感器為被動式采集，需外加電壓讓每個像素中的電荷移動，而CMOS傳感器為主動式采集，感光二極管所產(chǎn)生的電荷，直接由晶體管放大輸出。

這兩種不同的采集方式，讓二者在功耗上差異最為明顯。除此之外，在畫質(zhì)、處理速度等方面也有不同，具體如下圖：

實際上，CMOS技術(shù)為低功耗集成電路打下了最為堅實的基礎(chǔ)，這也是目前世界上最主流的芯片技術(shù)路線。隨著機器視覺系統(tǒng)從傳統(tǒng)板級式向小型智能系統(tǒng)的發(fā)展，CMOS工藝可以做到跟隨著摩爾定律發(fā)展，芯片集成度越來越高，功耗也越來越低。

早年還沒有用CMOS工藝制造圖像傳感器，直到80年代末，英國愛丁堡大學(xué)成功試制出了世界第一塊單片CMOS型圖像傳感器件，1997年英國愛丁堡VLSIVersion公司首次實現(xiàn)了CMOS圖像傳感器的商品化。

2000年，索尼成功開發(fā)出了其第一款CMOS圖像傳感器（IMX001），當(dāng)然，那時CMOS傳感器畫質(zhì)和噪音的缺點還很顯著，沒法一下子撼動CCD的“江湖地位”。

02、不起眼的傳感器，漲出千億市場

不過，隨著CMOS技術(shù)進步成熟，成本不斷降低，數(shù)碼相機售價真正開始走向平民，而CCD的發(fā)展步入“瓶頸期”。2010年后，CMOS傳感器已成為主流技術(shù)，說不上完全取代CCD，但已經(jīng)在很大程度上取代了CCD，CCD傳感器只保留在了專業(yè)級的中畫幅高端器材中。

在CMOS成為主流拍照技術(shù)的背后，一種野獸般的力量正在涌動。1999-2000年，和數(shù)碼相機幾乎同一時期誕生的手機，兩者狹路相逢。

伴隨著手機從功能機到智能手機的演進，手機搭載拍照功能，不斷升級攝像頭像素，提升拍照體驗，數(shù)碼相機市場遭到蠶食。

2008年，諾基亞推出了經(jīng)典之作 N96，配備一枚500萬像素的攝像頭，正是在這一年，諾基亞在全球賣出了 4.6 億部手機，這個成績別說相機廠商，許多后來的手機廠商也難以望其項背，一度讓諾基亞成為世界上最大的“相機制造商”。

2010?年，這年對手機和數(shù)碼相機來說，是一個重要轉(zhuǎn)折點。這一年，iPhone 4 發(fā)布了，后置 500?萬像素的攝像頭，通過軟件操作界面和優(yōu)化算法，讓手機拍照的用戶體驗和成像質(zhì)量上了一個臺階。安卓手機廠商開始跳出像素之爭，在鏡頭、處理器、優(yōu)化算法等方面發(fā)力。

要知道，2003 年-2010?年的數(shù)碼相機幾乎每年都在正向增長，怎想2010年出貨量達到1.21億臺的頂峰之后，出貨量持續(xù)走低，馬上被智能手機趕超，并被遠遠甩在后面。

智能手機這條陡然上升的需求線條，成為傳感器廠商眼中的香餑餑。

CMOS圖像傳感器，讓“芯片相機”越來越成為可能。CMOS傳感器的“低生產(chǎn)成本”、“低技術(shù)門檻”以及“低功耗”這三個優(yōu)點逐漸變得無可替代。

單片集成這個顛覆性的功能，得以讓芯片大規(guī)模批量生產(chǎn)，極大降低了生產(chǎn)成本，而手機、電腦等數(shù)碼鏡頭做得更小、功耗更低、成像更快、價格更便宜，如今小小一枚手機圖像傳感器也能做到上億像素了，消費電子產(chǎn)品得以迅速普及。

2011年，一份來自大量專業(yè)攝影師和攝影發(fā)燒友的數(shù)據(jù)引起了不少人的關(guān)注，數(shù)據(jù)顯示，發(fā)布僅一年、像素僅有500萬的iPhone 4，超越發(fā)布3年、像素有1200萬的尼康D90，成為 Flickr 上最受歡迎的拍照設(shè)備。

iPhone 4 的超越意味著手機攝影逐漸被專業(yè)攝影師群體所接受。此時，數(shù)碼相機的銷售額已經(jīng)在過去的5年中降低了29%，而傳統(tǒng)攝像機的銷售額也降低了21%。

手機鏡頭傳感器從幾十萬像素的CCD進化至現(xiàn)在的2億像素CMOS，成像效果獲得了質(zhì)的飛躍，相應(yīng)市場規(guī)模也急速成長。盡管到2020年左右，手機消費需求增長乏力，但手機攝像頭領(lǐng)域的體量依然很龐大，并且還有增長的勢頭。

中低端手機攝像頭數(shù)量迅速增加，新機不斷更新到四個攝像頭，數(shù)量達到一定程度后開始比拼性能，低端機型也不斷進入高像素領(lǐng)域，曾經(jīng)的高端配置已經(jīng)不是高端機型的專屬了，而是下放到了中低端機。

根據(jù)市場調(diào)查機構(gòu)Counterpoint Research，2022年下半年，每部智能手機的平均攝像頭數(shù)量為3.9個，2023年上半年有所下降，為3.8個。放在所有手機上，依然是個不小的數(shù)字。

集邦咨詢表示，預(yù)計智能手機市場經(jīng)過一年的去庫存后將在2024年迎來復(fù)蘇，預(yù)計明年智能手機攝像頭模組市場也有望恢復(fù)成長，出貨量將同比增長3%至約41.71億顆。

回過頭看CCD與CMOS市場，兩者的池子差距越來越大。

數(shù)據(jù)顯示，2022 年全球 CCD 圖像傳感器市場規(guī)模為17.4 億美元，預(yù)計到 2031 年將達到26.8 億美元，在 2023-2031 年的預(yù)測期內(nèi)以 4.9%?的復(fù)合年增長率增長。2020?年全球 CMOS 圖像傳感器市場價值207.25億美元，預(yù)計到 2028 年將達到396.24億美元，在預(yù)測期內(nèi)以 8.6%?的復(fù)合年增長率增長。另據(jù)mordor intelligence，CMOS圖像傳感器市場規(guī)模2023年為213.3億美元，預(yù)計到2028年達到300.8億美元。

CMOS圖像傳感器的市場份額，已經(jīng)遠遠高于CCD并獲得了前所未有的高速增長。

來源：growth market reports

來源：growth market reports

除了市場份額最大的消費電子領(lǐng)域，CMOS圖像傳感器的應(yīng)用范圍還包括汽車、航空航天、醫(yī)療設(shè)備、軍事設(shè)備。目前，CIS市場由索尼半導(dǎo)體、意法半導(dǎo)體、三星電子、豪威公司、安森美等企業(yè)占領(lǐng)，其中TOP3廠商索尼、三星、OV（豪威）銷量合計占比超7成。

CCD，除了占比最大的消費類電子應(yīng)用，在安防和監(jiān)控、醫(yī)療、汽車與運輸?shù)纫灿袘?yīng)用。工業(yè)視覺對圖像清晰度和抗噪聲的要求越來越高，對CCD的需求仍在增長。自動駕駛以及CMOS的發(fā)展，又在制約著CCD市場的增長。

目前CCD和CMOS的主要應(yīng)用場景仍在消費類電子，而手機的興起與普及，把CMOS的市場價值發(fā)揮到淋漓盡致，CCD則退居幕后，在高端成像方面繼續(xù)發(fā)揮作用。

03、結(jié)語

CCD作為圖像傳感器中較小一部分市場，無論是復(fù)古回潮的卡片機，還是“身價”不菲的高端相機，已經(jīng)很難再有新的消費級產(chǎn)品出現(xiàn)。CMOS翻身成為主流，手機在寸土寸金的空間中卷攝影，不僅把攝影價格打了下來，降低了拍照的門檻，也在推動CMOS技術(shù)的進步，無論是數(shù)碼相機本身，還是汽車、機器人、無人機、AR/VR都在從中受益，CMOS的好日子，未來還長著呢。

參考資料：

[1]照相機的200年消亡史，硅星人[2]CMOS圖像傳感器35年史和中國人的關(guān)鍵貢獻，科技老兵戴輝[3]從諾貝爾獎看ccd的前世今生，熊巍[4]22年鏡頭“卷”史，智能手機之戰(zhàn)卷進死胡同，雪豹財經(jīng)社